碱性氯化铜蚀刻液原理及基础配方

碱性氯化铜蚀刻液
1.特性
1)适用于图形电镀金属抗蚀层，如镀覆金、镍、锡铅合金，锡镍合金及锡的印制板的蚀刻。

2)蚀刻速率快，侧蚀小，溶铜能力高，蚀刻速率容易控制。

3)蚀刻液可以连续再生循环使用，成本低。

2.蚀刻过程中的主要化学反应
在氯化铜溶液中加入氨水，发生络合反应：
CuCl
2＋4NH
3
→Cu(NH
3
)
4
Cl
2
在蚀刻过程中，板面上的铜被[Cu(NH
3)
4
]2+络离子氧化，其蚀刻反应如下：
Cu(NH
3)
4
Cl
2
＋Cu →2Cu(NH
3
)
2
Cl
所生成的[Cu(NH
3)
2
]1+为Cu1+的络离子，不具有蚀刻能力。

在有过量NH
3
和Cl-的情
况下，能很快地被空气中的O
2所氧化，生成具有蚀刻能力的[Cu(NH
3
)
4
]2+络离子，
其再生反应如下：
2Cu(NH
3)
2
Cl＋2NH
4
Cl＋2NH
3
＋1/2 O
2
→2Cu(NH
3
)
4
Cl
2
＋H
2
O
从上述反应可看出，每蚀刻1克分子铜需要消耗2克分子氨和2克分子氯化铵。

因此，在蚀刻过程中，随着铜的溶解，应不断补加氨水和氯化铵。

应用碱性蚀刻液进行蚀刻的典型工艺流程如下：
镀覆金属抗蚀层的印制板(金、镍、锡铅、锡、锡镍等镀层) →去膜→水洗→吹干→检查修板→碱性蚀刻→用不含Cu2+的补加液二次蚀刻→水洗→检查→浸亮(可选择) →水洗→吹干
3. 蚀刻液配方
蚀刻液配方有多种，1979年版的印制电路手册(Printed Circuits Handbook)中介绍的配方见表10－4。

表10－4 国外介绍的碱性蚀刻液配方
国内目前大多采用下列配方： CuCl
2·2H
2
O 100～150g/l 、NH
4
Cl 100g/l 、NH
3
·H
2
O
670～700ml/1
2
配制后溶液PH值在9.6左右。

溶液中各组份的作用如下：
NH
3·H
2
O的作用是作为络合剂，使铜保持在溶液里。

NH
4
Cl的作用是能提高蚀刻速率、溶铜能力和溶液的稳定性。

(NH4)
3PO
4
的作用是能保持抗蚀镀层及孔内清洁。

4.影响蚀刻速率的因素
蚀刻液中的Cu2+的浓度、PH值、氯化铵浓度以及蚀刻液的温度对蚀刻速率均有影响。

掌握这些因素的影响才能控制溶液，使之始终保持恒定的最佳蚀刻状态，从而得到好的蚀刻质量。

Cu2+浓度的影响
因为Cu2+是氧化剂，所以Cu2+的浓度是影响蚀刻速率的主要因素。

研究铜浓度与蚀刻速率的关系表明：在0－11盎司/加仑时，蚀刻时间长；在11－16盎司/加仑时，蚀刻速率较低，且溶液控制困难；在18－22盎司/加仑时，蚀刻速率高且溶液稳定；在22－30盎司/加仑时，溶液不稳定，趋向于产生沉淀。

注：1加仑（美制）=3.785升 1盎司= 28.35克1盎司/加仑=28.35/3.785=7.5G/1
在自动控制蚀刻系统中，铜浓度是用比重控制的。

在印制板的蚀刻过程中，随着铜的不断溶解，溶液的比重不断升高，当比重超过一定值时，自动补加氯化铵和氨的水溶液，调整比重到合适的范围。

一般比重控制在18～240Be’。

溶液PH值的影响
蚀刻液的PH值应保持在8.0～8.8之间。

当PH值降到8.0以下时，一方面是对金属抗蚀层不利。

另一方面，蚀刻液中的铜不能被完全络合成铜氨络离子，溶液要出现沉淀，并在槽底形成泥状沉淀。

这些泥状沉淀能在加热器上结成硬皮，可能损坏加热器，还会堵塞泵和喷嘴，给蚀刻造成困难，如果溶液PH值过高，蚀刻液中氨过饱和，游离氨释放到大气中，导致环境污染。

另一方面，溶液的PH 值增大也会增大侧蚀的程度，而影响蚀刻的精度。

氯化铵含量的影响
通过蚀刻再生的化学反应可以看出:[Cu(NH
3)
2
]1+的再生需要有过量的NH
3
和NH
4
Cl
存在。

如果溶液中缺乏NH
4Cl,而使大量的[Cu(NH
3
)
2
]1+得不到再生，蚀刻速率就会
降低，以至失去蚀刻能力。

所以，氯化铵的含量对蚀刻速率影响很大。

随着蚀刻
的进行，要不断补加氯化铵。

但是，溶液中Cl-含量过高会引起抗蚀层被浸蚀。

一般蚀刻液中NH
4
Cl含量在150g/l左右。

温度的影响
蚀刻速率与温度有很大关系，蚀刻速率随着温度的升高而加快。

见图10-12
蚀刻液温度低于40℃，蚀刻速率很慢，而蚀刻速率过慢会增大侧蚀量，影响蚀
刻质量。

温度高于60℃，蚀刻速率明显增大。

但NH
3
的挥发量也大大增加，导致污染环境并使蚀刻液中化学组份比例失调。

故一般应控制在45℃～55℃为宜。

5. 蚀刻液的调整
自动控制调整
随着蚀刻的进行，蚀刻液中铜含量不断增加，比重逐渐升高，当蚀刻液中铜浓度达到一定高度时就要及时调整。

在自动控制补加装置中，是利用比重控制器控制蚀刻液的比重。

当比重升高时，自动排放比重过高的溶液，并添加新的补加液，使蚀刻液的比重调整到允许的范围。

补加液要事先配制好，放入补加桶内，使补加桶的液面保持在一定的高度。

专卖的蚀刻盐品种很多，其补加液的配制方法大同小异。

下面仅介绍一种：
蚀刻盐补加液的配制方法
蚀刻盐 255g/l PH值 9.8 氨水(26%) 450ml/l 比重 1.03
水 450ml/l
人工调整
方法一：首先在蚀刻液冷却、静置情况下，取样分析清液中的铜浓度，然后根据分析结果，确定废液的排放量。

排放量可按下式计算：
排放量＝(分析值－规定值)／分析值 *总体积
式中：排放量－从蚀刻槽中排出废液的体积(l)
分析值－由化学分析得出的铜含量(g/l)
规定值－配方中规定的铜含量(g/l)
总体积－蚀刻槽中蚀刻液的体积(l)
原则上是排放多少体积的废液就补加多少体积的补加液。

方法二：上述1升补加液可蚀铜约150～165g铜。

可统计生产中蚀刻铜的量，当达到这个范围时，放去20％之工作液，补充新的补加液到相同体积。

图10-13 碱性蚀刻机及控制，补加系统
现在印制板生产厂家一般采用带有蚀刻液控制、补加系统的碱性蚀刻机10-13进行印制板的碱性蚀刻。

6. 蚀刻过程中常出现的问题
蚀刻速率降低
这个问题与许多因素有关。

要检查蚀刻条件，例如：温度，喷淋压力，溶液比重、PH值和氯化铵的含量等，使之达到适宜的范围。

蚀刻溶液中出现沉淀
由于氨的含量过低(PH值降低)，或用水稀释等原因造成的。

溶液比重过大也会造成沉淀。

抗蚀镀层被浸蚀
蚀刻液PH值过低或Cl-含量过高造成的。

铜表面发黑，蚀刻不动
蚀刻液中NH
Cl的含量过低造成的。

4。